Расчет и конструирование шпиндельных узлов

Содержание

1. Общие сведения о проектировании шпиндельных узлов................................3

1.1. Общие положения........................................................................................3

1.2 Материалы для шпинделей...........................................................................3

1.3 Растет жесткости шпиндельных опор...........................................................4

1.3.1. Жесткость опоры с Шариковыми радиально-упорными под­шипниками.....4

1.3.2.Жесткость двухрядного упорно-радиального подшипника с углом контакта .....4

1.3.3.Жесткость однорядных и двухрядных конических подшип­ников о эффективной длиной роликов и углом наклона их оси........................................5

1.3.4. Жесткость роликового двухрядного подшипника с корот­кими цилиндрическими роликами................5

1.4 Расчет податливости стыка в месте посадки подшипника Деформация стыка между наружной поверхностью подшипника и поверхностью корпуса шпиндельной бабки.............................................................................................................5

1.5 Расчет шпиндельного узла на жесткость.................................................6

1.5.1. При расчете на жесткость определяют упругое переме­щение в одной ия следующих точек.................................................................................................6

1.5.2 Приводной элемент шпинделя расположен между его опорами...................6

1.5.3 Приводной элемент расположен на задней консоли на расстоянии С от задней опоры...............................................................................................................7

1.5.4 Шпиндель не нагружен силами от привода, на него действует только сила резания.....7

1.6. Конструкция переднего конца шпинделя ....................................................9

Литература...................................................................................................11

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПРОЕКТИРОВАНИИ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ

1.1. Общие положения

Шпиндельный узел состоит из шпинделя, имеющего условно передний конец и межопорный участок, приводного элемента и шпиндельных опор.

Проектирование шпиндельного узла включает:

- определение мощности на шпинделе, нагрузок на него;

- выбор привода, типа опор;

- определение диаметра шпинделя, расстояния между опорами;

- разработку конструкции шпинделя;

- выбор устройств для смазывания опор, уплотнений и т.д.

На шпиндель действуют нагрузки, определяемые силами резания силами в приводе (ременном, зубчатом) и центробежными силами, возникающими от неуравновешенности вращающихся деталей самого шпиндельного узла.

При проектировании шпиндельного узла необходимо обеспечить высокую работоспособность переднего подшипника и приводной зубчатой передачи. Требуется ограничить радиальное и осевое биение переднего конца шпинделя, а также его радиальное и осевое перемещение под действием сил резания и сил со стороны привода. Кроме этого, необходимо ограничить, амплитуды колебаний переднего конца шпинделя, а также нагрев его опор. Эти свойства должны сохраняться шпиндельным узлом в течение длительного времени при изменении нагрузок и частоты вращения обычно в широких интервалах.

Основными расчетами шпинделей являются:

- расчет на жесткость, который выпалняется для шпинделей всех типов;

- расчет на прочность, выполняемый для тяжело нагруженных шпинделей;

- расчет на вибро-устойчивость, который производится для высокооборотных шпинделей, а также для шпинделей с большими вращающимися массами;

- расчет радиального биения оси.

1.2 Материалы для шпинделей

Шпиндели станков нормальной точности изготавливаются из сталей 40Х, 45, 50 с закалкой ответственных поверхностей до твердости НRС 48...50 с использованием индукционного нагрева. Если его применение вызывает затруднения, то шпиндели изготавливают из сталей 40ХГР, 50Х и подвергают объемной закалке до твердости НRС 56...60.

Шпиндели станков с ЧПУ и многоцелевых станков, для которых требуется повышенная износостойкость поверхностей, используемых для центрирования и автоматического закрепления инструментов или приспособлений, изготавливают из сталей 20Х, 18ХГТ, 12ХН3А с цементацией и закалкой дс твердости НЕС 56...-60.

Для шпинделей прецизионных станков применяют азотируемые стали ЗОХМЮА, 38ХВФЮА с закалкой до твердости НRС 63...68.

1.3 Растет жесткости шпиндельных опор

1.3.1. Жесткость опоры с шариковыми радиально-упорными под­шипниками.

К таким подшипникам относятся особо быстроходные шарикоподшипники типов 36000К и 36000КУ. с номинальным углом контакта 15° и типов 46000К и 46000У с номинальным углом контакта 26°. Комплексную опору, состоящую из нескольких подшипников, представляют в виде двух условных опор I и 2. Индексом I обозначают условную опору, находящуюся ближе к пе­реднему торцу шпинделя, индексом 2 - находящуюся дальше от него. Сдвоенные подшипники, установленные в одной условной опоре по схеме "тандем", считают как один двухрядный подшипник. Число подшипников установленных в опорах I и 2, обозначают .

В зависимости от способа создания предварительного натяга задаются силой натяга или общей деформацией (натягом) опоры.

Осевая жесткость комплексной опоры

(),

Где, - - осевая жесткость в Н/мм;

- внешняя осевая сила в H;

- осевое смещение в подшипнике в мм;

- сила натяга в Н;

z - число тел качения в подшипнике;

- фактический угол контакта в подшипнике, изменяющийся под действием предварительного натяга на 1..., соответственно, при;

- диаметр шарика в мм.

Для указанных комплексных опор можно записать в общем виде

где - общая осевая деформация (натяг) комплексной опоры,

В зависимости от количества и расположения подшипников в коцплексной опоре коэффициенты ии осевая жесткость опор в условных единицах (соответственно при постоянных значенияхили) равны:

a) ии

б) ииили

в) ииили

г) ииили

Радиальная жесткость условной опоры может быть вычислена по формуле:

Коэффициент характеризует распределение нагрузки между телами качения и зависит от соотношения между силой натяга и радиальной нагрузкой

1,28 1,35 1,43 1,53 1,67 2,25 3,2 5,4

0,16 0,30 0,40 0,52 0,60 0,65 0,71 0,74 0,75

Для шарикоподшипников типов 36000К и 36000У радиальная жесткость имеет соотношение с осевой жесткостью ,а для родшипников типов 46000К и 46000У

1.3.2.Жесткость двухрядного упорно-радиального подшипника с углом контакта = 60°.

Осевая жесткость подшипника

Где - коэффициент, учитывающий погрешности изго­товления подшипника.

Благодаря высокой угловой жесткости упорно-радиальный под­шипник создает значительный защемляющий момент. Угловая жесткость этого подшипника (H.мм/рад)

где М - защемляющий момент, действующий на шпиндель, Н.мм;

- угол наклона упругой оси шпинделя в опоре, рад;

D - внутренний и наружный диаметры подшипника, мм.

1.3.3.Жесткость однорядных и двухрядных конических подшип­ников о эффективной длиной роликов и углом наклона их оси.

Эти подшипники работают с небольшим зазором или натягом при совместном действии радиальной и осенейнагрузок. Для опоры с натягом при Га / Рг » 2 радиальная жесткость

1.3.4. Жесткость роликового двухрядного подшипника с короткими цилиндрическими роликами.

Жесткость такого подшипника зависит от его внутреннего диаметра и равна:

1.4 Расчет податливости стыка в месте посадки подшипника Деформация стыка между наружной поверхностью подшипника и поверхностью корпуса шпиндельной бабки

Где - нагрузка на подшипник, Н; К - коэффициент, учитываюший качество поверхности стыка и напряжение в кем, К =(0,5...2,5)(для шпиндельных узлов высокой точности при большом предварительном натяге и коническом отверстии внутренн­его кольца подшипника значения К выбирается у нижней границы);

d- внутренний диаметр подшипника, мм;

- ширина подшипника, мм; 0) - наружный диаметр подшишш-,8, мм.

Для двухрядных роликовых подшипников с короткими цилиидричвс-пи роликами типа 3182100 .

1.5 Расчет шпиндельного узла на жесткость

1.5.1. При расчете на жесткость определяют упругое переме­щение в одной ия следующих точек:

а) точке инструмента или дета­ли, в которой производится резание;

б) точке шпинделя, в которой определяют жесткость. В рассчитываемом упругом перемещении учитывают деформации тела шпинделя и его опор. Собственные деформации обрабатываемой детали, режущего инструмента, конического или другого соединения инструмента со шпинделем определяют дополнительными расчетами, не относящимися к расчету шпиндельного узла на жесткость.

Расчетами находят радиальную и осевую жесткость. При расчете радиальной жесткости узла все силы приводят к двум взаимно перпендикулярным плоскостям, проходящим через ось шпинделя (рис. 1),

Расчетные значения жесткости иди, податливости сравнивают с допустимыми. Допустимая минимальная жесткость переднего конца шпинделя продукционных станков составляет 200 Н/мкм, прецизионных - 400 Н/мкм. Допустимый угол поворота шпинделя в передней опоре, 1опровоидающийоя неравномерным распределением нагрузку между телами качения подшипников, принимается равным 0,0001...0,00015 радиана. Угол поворота шпинделя под приводным зубчатым колесом допускается от 0,00008 до 0,0001 радиана, а прогиб шпинделя в этом месте не должен превышать 0,01m ( m - модуль зубчатого колеса).

Для определения жесткости шпиндельных узлов составляются расчетные схемы. В зависимости от положения приводного элемента на шпинделе они могут иметь различный вид.

Приводной элемент шпинделя расположен между его опорами (рис.2,а).

Эта схема типична для токарных и фрезерных станков,а также для многоцелевых станков с ЧПУ. Радиальное упругое шпинделя в расчетной точке слагается из следующих перемещений :- тела шпинделя под действием силырезания на приводном элементе;- вызванного деформацией опор от силы(рис. 2,6).

Вводим обозначения: - расстояние между передней А и задней В опорами шпинделя; а - вылет его переднего конца (кон­соль);- расстояние от приводного элемента до передней опорц; - осредненный осевой момент инерции сечения консоли; - осредненный осевой момент инерции сечения шпинделя в пролете между опорами ; и - площади сечения переднего конца и межопорной части шпинделя; Е- модуль упругости материала шпин­деля;G - модуль сдвига материала шпинделя; и- ра­диальная жесткость передаей и задней опор;- коэффициент за­щемления в передней опоре.

Значения коэффициентов защемления при шарнирной опоре равны= 0, а для жесткой заделки= I и определяются коном рукцией шпиндельных опор и составляют= 0,30...О,45;= 0,2...0,3;= 0,15...0,20 ;=0,10...0,15;= 0,45...0,65

Упругое перемещение переднего конца шпинделя, слагающееся из всех названных выше перемещений, но без учета защемляющего момента

С учетом действия защемляющего момента в передней опоре пере­мещение переднего конца шпинделя

Угол поворота в передней опоре в радианах

В приведенных и последующих зависимостях под Р и понимают составляющие сил, приведенные к одной плоскости. В формулах передпринимают знак "плюс”, если силы Р инаправлены в одну сторону и знак "минус", если они направлены в противополож­ив стороны.

Введя в зависимости безразмерное отношений, , хактеризующее относительную длину межопорной части шпинделя, из равенстванаходят оптимальное значение, а щедовательно.и оптимальное по условию жесткости расстояние ыежду порами шпинделя.

Приводной элемент расположен на задней консоли на растоянии С от задней опоры (рис.2,в).

Этот случай характерен ай внутришлифовальных и отделочно-расточных головок. Перемещение вреднего конца шпинделя с учётом защемляющего момента в передней опоре

Здесь знаки перед соответствуют случаю, когда силы Р направлены в одну сторону. Если же они направлены в протнвоположные стороны, то знаки передзаменяются на противоположные. Перемещение переднего конца шпинделя при отсутствии защемляющего момента вычисляют по приведенной ранее формуле при Р и.

Шпиндель не нагружен силами от привода, на него действует только сила резания (рис.2,г).

Такие шпиндельные узлы часто применяют в прецизионных станках. Перемещение переднего конца шпинделя с учетом защемляющего момента в передней опоре

.

Без учета защемляющего момента

А угол поворота шпинделя в передней опоре в радианах

.

Значение оптимальное по условию жесткости шпиндельного узла,находят из уравнения

В связи с тем,что с уменьшением межопорного расстояния биение шпинделей на подшипниках качения увеличивается ,для них вводят ограничение .

Рис. 1. Пример составления расчетной схемы шпинделя

Рис. 2. Расчетные схемы шпиндэля о различными вариантами нагружения (а,в,г) и для составляющих перемещений расчетной точки (б)

1.6. Конструкция переднего конца шпинделя

Передний конец шпинделя служит для базирования и закрепления режущего инструмента, обрабатываемой детали или приспособления. Для этого часто используют коническое соединение, обеспечивающее точное центрирование и жесткое сопряжение. При ручной смене инст­рументов применяют конусы Морзе и метрические , при автоматической смене на станках с ЧПУ - конусы с консностью 7 : 24. Передние концы шпинделей выполняют по государственным стандартам.

Шпиндели малых токарных станков обычно изготавливают с резьбовым передним концом по ГОСТ 16868-71, средних и крупных - фланцевыми под поворотную шайбу по ГОСТ 12593-72, точных токарных станков - фланцевыми без поворотной шайбы по ГОСТ 12595-72. Применение фланцевых концов под поворотную шайбу позволяет быстро закреплять и снимать патроны без свинчивания крепежных гаек. При применений фланцевых концов без поворотной шайбы вылет шпинделя уменьшается, но трудоемкость установки и сня­тия патрона возрастает.

Концы шпинделей сверлильных, расточных и фрезерных станков выполняют по ГОСТ 24644-81С конусами Морзе и метрическими изготавливают шпиндели трех исполнений. Исполнение I грименяют в сверлильных и расточных станках при установке инстру­ментов, имеющих хвостовик с лапкой. Исполнение 2 применяют в тех же станках при установке хвостовиков с резьбовым отверстием. Шпин­дели исполнения 3 с метрическим конусом и торцевой шпонкой уста­навливают в расточных станках. С конусностью 7:24 изготавливают шпиндели четырех исполнений. Исполнение 5 с конусами от 30 до 70 применяют в сверлильных и расточных станках, с конусами 30, 40, 45, 50 - во фрезерных станках. Исполнение 6 с конусами 50 и 55, а' также 7 с конусом 60, 8 с конусом 70 применяют в расточных и фре­зерных станках. Первый и второй ряды предназначены для 11 сверлильных и расточных станков, третий - для фрезерных.

Литература

1.Галимов Р.Х. Металлорежущие станки:каталог кинематических схем,конструкций узлов и механизмов.Тамбов:ТИХМ,1974.-88 с

2.Детали и механизмы металлорежущих станков / под ред. Д.Н.Решетова.-М:Машиностроение, 1972.

3.Дунаев П.Ф., Леликов О.П. Конструтирование узлов и деталей машин.-М.:Высшая Школа, 1985.

4.Ермаков Ю.М., Фролов Б.А. Металлорежшщие станки.-М:Машиностроение ,1985.

5.Шпиндельные узлы агрегатных станков: Альбом /Н.Н. Вороничев, Г.И.Плишей, С.С.Гиндин и др.-М.:Машиностроение,1983.